采用直接时差法的无线超声波风速风向仪设计

采用直接时差法，以TMS320F2812为控制单元控制超声波的发射与接收，实现了超声波风速风向仪的设计。该超声波风速风向仪利用模拟开关设计驱动电路，减少了电磁干扰对电路的影响；利用限幅、放大、正弦脉冲转换的方法设计接收电路，减少了A/D转换波动对信号捕获以及时间点判断的影响。

引言

常见的风杯式、风标式风速风向仪因自身机械结构固有的缺陷，测量低风速时灵敏度不高，并且会随使用时间的增加出现一定程度的老化，在恶劣的工作环境中测量精度和使用寿命均受到较大影响。

超声波风速风向仪诞生于20世纪80年代，意大利GC Aprilesi等人完成了其原理样机并验证了功能可能性。随着多年的研究与发展，超声波风速风向仪的精度和可靠性都在不断提高。目前针对超声波风速风向仪的研究，在超声波换能器的驱动电路和信号接收电路实现上，都采取了脉冲变压器升压产生驱动信号和A/D采样接收信号的方法。脉冲变压器虽然在设计和实现上较为简单，但是当原副线圈匝数比较大、脉冲信号频率较高时，脉冲变压器工作时的噪音、热损耗和电磁干扰会相应增大，电磁干扰对超声波接收电路中信号处理的影响尤为严重，从而可能影响到最终测量结果的准确性。另外，在接收信号由A/D芯片转换成数字量的过程中，由于整体电路的电磁干扰，A/D转换值往往有较大波动，导致接收时间点判断上的较大超前或滞后，这种超前或滞后也会对测量结果的精确性造成较大影响。

本文针对脉冲变压器和A/D采样电路的不足，设计出包含换能器驱动电路、接收信号及处理电路两部分的超声波收发模块。采用模拟开关电路产生驱动信号的方法，在降低噪音和热损耗的同时大大降低了电磁干扰对整个电路的影响，驱动信号更为标准并且无需在接收端搭建滤波电路。采用正弦信号转脉冲电路使得接收时间点的确定更精确，波动更小。

1 工作原理及系统结构

1.1 工作原理

超声波在空气中传播时，在顺风与逆风方向均存在速度差。当超声波传播距离固定时，该速度差就反映为传播用时的时间差，且该时间差与待测风速之间具有线性关系。根据测量、计算时差的方法不同，一般分为直接时差法、频差法和相位差法。直接时差法也叫脉冲声时法，对超声波的收发时间直接进行测量，从而通过时间差计算得出当前的风速风向数据。

编者注：超声波测风速风向原理图及相应公式略。

1.2 系统结构

如图1所示，超声波风速风向仪的系统结构主要由MCU控制单元、信号隔离模块和换能器收发模块3个部分构成。MCU控制单元主要完成模拟开关控制信号的输出、计时以及核心数据处理；信号隔离模块主要降低各模块之间的干扰；换能器收发模块主要完成超声波信号的产生及接收、处理工作。超声波风速风向仪的工作流程如下：MCU每隔20 ms发出8个200 kHz脉冲信号，经信号隔离模块隔离后，输入换能器收发模块，驱动换能器发出超声波信号；换能器收发模块接收到超声波信号并转换为电信号，作为换能器收发模块回波信号输入并转换为方波信号，经信号隔离模块隔离后，输入MCU进行处理。

2 收发电路设计

2.1 换能器驱动电路

由于超声波风速风向仪换能器对驱动信号电压和频率的要求，脉冲变压器在实际应用中将会出现电磁干扰强、噪音大、热损耗大等缺点，对超声波风速风向仪控制电路产生影响。为避免脉冲变压器驱动电路的上述缺点，设计一种采用模拟开关的超声波风速风向仪换能器驱动电路，如图2所示。图中，控制波形为8个脉冲，间隔20 ms；驱动信号为8个脉冲。

图2中，驱动电路采用MOSFET搭建模拟开关电路，其门极的门限电压为3 V。由于MCU(选用TI公司的TMS320F2812)输出的控制信号驱动能力不足，故电路中将隔离后的控制信号通过驱动电路增强驱动能力后，再对MOSFET的导通与关断进行控制。电路中的Q1为高端MOSFET-P，控制高端100V(由5 V经DC-DC电源芯片升压获得)信号；Q2为低端MOSFET-N，控制低端-100V(由5 V经DC-DC电源芯片升压获得)信号。电路中，两个场效应管门极均连接了3个器件，分别为1个电阻、1个电容和1个稳压管，这3个器件构成了门极电平转换电路，可将控制信号转换为以MOS FET源极电平为参考的控制信号。两个MOSFET源极均接有1个680μF大容量电容，该电容作为模拟开关的输入电源滤波，起到稳定±100V电源工作及平衡电源功率的作用。电路中换能器前端连接有1个电感和2个快恢复二极管，电感的作用是对换能器进行阻抗匹配，使负载阻抗工作在纯电阻模式，提高能量转换效率；二极管的作用是利用其单向导电性对负载电流流向进行控制，以免发生能量回流，造成损耗的增大。

控制信号以及